Сети и системы телекоммуникаций. Физический уровень

1.

Сети и системы телекоммуникаций
Физический уровень
ИМКН УрФУ

2.

Сети и системы телекоммуникаций. Физический уровень
План
Место физического уровня в модели OSI
Модель канала связи
Среды передачи данных
Передача сигналов
Кодирование и модуляция
2

3.

Сети и системы телекоммуникаций. Физический уровень
Место в модели OSI
Прикладной
Представления
Сеансовый
Транспортный
Сетевой
Канальный
Передача
потока
битов
по
физическим каналам связи без
искажений с заданной частотой
Не
вникает
в
смысл
передаваемой информации
Единица передаваемых данных
— бит
Физический
3

4.

Сети и системы телекоммуникаций. Физический уровень
Передача сигналов
Основная задача физического уровня: как
представить биты информации в виде сигналов,
передаваемых в среде
Tanenbaum, Wetherall Computer Networks 5e
4

5.

Сети и системы телекоммуникаций. Физический уровень
Модель канала связи
Характеристики канала связи:
Скорость (пропускная способность) — как быстро
информация может передаваться по каналу, бит в
секунду
Задержка — время, которое требуется сообщению
чтобы дойти от отправителя к получателю, секунда
Широковещательный
канал
или
нет,
частота
возникновения ошибок
Сообщение
Скорость, задержка
Tanenbaum, Wetherall Computer Networks 5e
5

6.

Сети и системы телекоммуникаций. Физический уровень
Скорость канала связи
Скорость измеряется в битах в секунду:
б(b) — биты, Б(B) — байты
б/с, bps
Кратные единицы, степень 10:
1 Кб/c = 1000 б/с (не 1024!)
1 Мб/с = 1000 Кб/с
1 Гб/с = 1000 Мб/с
6

7.

Сети и системы телекоммуникаций. Физический уровень
Время передачи сообщения
Сообщение передается не мгновенно:
Время передачи короткое, но не нулевое
В среде может «находиться» некоторый объем
данных:
Скорость × Задержка
Небольшой объем для локальных сетей
Большой
объем
для
широких
территориальнопротяженных каналов
Сообщение
Tanenbaum, Wetherall Computer Networks 5e
7

8.

Сети и системы телекоммуникаций. Физический уровень
Объем данных в сети
Пример:
Сеть УрО РАН, канал Екатеринбург-Пермь, 10Гб/с,
протяженность 465 км, задержка 10 мс
Объем данных в сети:
Скорость × Задержка
10Гб/с × 10 мс = 100 Мб = 12,5 МБ
8

9.

Сети и системы телекоммуникаций. Физический уровень
Среда передачи данных
Используется
для
передачи
отправителя к получателю
данных
Типы среды передачи данных:
Медные провода
Оптоволокно
Беспроводная среда
9
от

10.

Сети и системы телекоммуникаций. Физический уровень
Воздушные линии связи
Появились самыми первыми
Использовались
телефонной связи
Низкая скорость
Высокие помехи
10
для

11.

Сети и системы телекоммуникаций. Физический уровень
Витая пара
Скрученная
проводов
пара
медных
Скручивание снижает помехи
В одном кабеле
скрученных пар
11
несколько

12.

Сети и системы телекоммуникаций. Физический уровень
Витая пара
В. Олифер, Н. Олифер. Компьютерные сети.
Экранированная
витая
пара
защищенность сигнала от помех
—
большая
Неэкранированная витая пара — больше помех,
но дешевле и удобнее при монтаже
12

13.

Сети и системы телекоммуникаций. Физический уровень
Категории витой пары
КатегоПолоса
рия
пропускания
Описание
1
0,1 МГц
1 пара, телефонная связь (в России «лапша»)
2
1 МГц
2 пары, сети до 4 Мб/с
3
16 МГц
4 пары, сети 10 и 100 Мб/с
4
20 МГц
4 пары, сети до 16 Мб/с
5
100 МГц
4 пары, сети 100 Мб/с (используется 2 пары)
5e
125 МГц
4 пары, 100 Мб/с (2 пары), 1 Гб/с (4 пары)
6
250 МГц
4 пары, 1–10 Гб/с
7
600 МГц
4 пары, только экранированный, до 10 Гб/с
13

14.

Сети и системы телекоммуникаций. Физический уровень
Коаксиальный кабель
Два кабеля
Внешний проводник
служит экраном
Типы кабелей:
• «Толстый» коаксиал
(Ethernet)
• «Тонкий» коаксиал
(Ethernet)
• Телевизионный кабель
14

15.

Сети и системы телекоммуникаций. Физический уровень
Оптоволокно
15

16.

Сети и системы телекоммуникаций. Физический уровень
Оптические кабели
Состоит из тонких
гибких стеклянных
волокон (световодов)
Самый качественный тип
кабелей
Самый дорогой тип кабелей
16

17.

Сети и системы телекоммуникаций. Физический уровень
Оптические кабели
Одномодовый кабель
Многомодовый кабель
В. Олифер, Н. Олифер. Компьютерные сети.
Тонкий сердечник
Более толстый сердечник
Одна длина волны
Несколько длин волн
17

18.

Сети и системы телекоммуникаций. Физический уровень
Оптические кабели
Одномодовые кабели:
Дорогие в изготовлении
Низкое затухание
Нет наложения сигналов разной длины волны
Передача данных на расстояние до 100 км
Многомодовые кабели:
Более дешевые в изготовлении
Затухание выше
Искажения из-за наложения сигналов разной длины
волны
Передача данных на расстояние 300–500 м
18

19.

Сети и системы телекоммуникаций. Физический уровень
Окна прозрачности
Затухание сигнала в
оптическом кабеле
зависит от длины волны
Три «окна прозрачности»:
• 850 нм
• 1300 (1310) нм
• 1550 нм
19

20.

Сети и системы телекоммуникаций. Физический уровень
Беспроводная среда
Особенности беспроводной среды:
Сигнал распространяется в разных направлениях
Может быть несколько приемников сигнала
Несколько источников сигнала искажают друг друга и
требуют координации работы
20

21.

Сети и системы телекоммуникаций. Физический уровень
Таблица частот
21

22.

Сети и системы телекоммуникаций. Физический уровень
Частоты беспроводной среды
Wi-Fi использует открытые частоты (ISM band),
для которых не нужна лицензия:
2.4 ГГц, 5 ГГц
Другие устройства тоже работают на этих частотах:
микроволновки, пульты от шлагбаумов и т.п.
22

23.

Сети и системы телекоммуникаций. Физический уровень
Передача сигналов
Задача физического уровня — передать сигнал по
среде передачи данных
Основная проблема — искажение сигналов при
передаче по линиям связи:
Оптические кабели — низкое искажение
Медные кабели — среднее искажение
Радиоволны — высокое искажение
23

24.

Сети и системы телекоммуникаций. Физический уровень
Искажение сигналов
В. Олифер, Н. Олифер. Компьютерные сети.
24

25.

Сети и системы телекоммуникаций. Физический уровень
Причины искажений
Затухание с расстоянием
Задержка сигнала
Высокие частоты сигнала затухают быстрее
К сигналу добавляется шум
25

26.

Сети и системы телекоммуникаций. Физический уровень
Основы представления сигналов
В. Олифер, Н. Олифер. Компьютерные сети.
26

27.

Сети и системы телекоммуникаций. Физический уровень
Основы представления сигналов
В. Олифер, Н. Олифер. Компьютерные сети.
27

28.

Сети и системы телекоммуникаций. Физический уровень
Полоса пропускания и спектр
Чем больше полоса пропускания линии связи —
тем лучше
Чем меньше спектр сигнала — тем лучше
КатегоПолоса
рия
пропускания
Описание
…
5
100 МГц
4 пары, сети 100 Мб/с (используется 2 пары)
5e
125 МГц
4 пары, 100 Мб/с (2 пары), 1 Гб/с (4 пары)
6
250 МГц
4 пары, 1-10 Гб/с
7
600 МГц
4 пары, только экранированный, до 10 Гб/с
28

29.

Сети и системы телекоммуникаций. Физический уровень
Представление информации
Прямоугольные
импульсы
Синусоидальные
волны
t
t
Представление
информации —
кодирование
(baseband modulation)
Представление
информации —
модуляция (passband
modulation)
Медные провода
Оптоволокно,
беспроводная среда
29

30.

Сети и системы телекоммуникаций. Физический уровень
Кодирование
Представление
информации
прямоугольных импульсов
Простейший
кодирование):
способ
с
помощью
(потенциальное
• 1 — присутствие напряжения
• 0 — отсутствие напряжения
0
1
0
1
0 0
1 1
t
30

31.

Сети и системы телекоммуникаций. Физический уровень
Кодирование NRZ
NRZ (Non Return to Zero) — потенциальный код
без возвращения к 0
Используется два уровня потенциала:
• 1 — положительный потенциал
• 0 — отрицательный потенциал
Хорошая распознаваемость сигнала (уровни резко
отличаются)
1
0
1
1
0
1
0
0
1
t
31

32.

Сети и системы телекоммуникаций. Физический уровень
Несколько уровней сигнала
1
10
11
01
11
10
00
10
01
11
00
2
3
t
4
Преимущество — в 2 раза больше скорость при
той же частоте
Недостаток — нужен более мощный передатчик,
чтобы различить 4 уровня передачи
32

33.

Сети и системы телекоммуникаций. Физический уровень
Синхронизация
Как узнать, сколько 1 или 0 было отправлено?
0
1 0 1
?
?
t
33

34.

Сети и системы телекоммуникаций. Физический уровень
Синхронизация
Как узнать, сколько 1 или 0 было отправлено?
0
1 0 1
?
?
t
Высокоточные часы
• Очень дорого
Выделенная линия связи для тактовых импульсов
• Дорого и не удобно
• Задержки в распространении сигналов
34

35.

Сети и системы телекоммуникаций. Физический уровень
Самосинхронизирующиеся коды
Самосинхронизирующийся
код
содержит
информацию, необходимую для синхронизации
приемника и передатчика
• Добавление избыточных 0 или 1 в длительные
последовательности
• Скрэмблирование — перемешивание информации
так,
чтобы
не
оставалось
длинных
последовательностей
• Импульсное
кодирование
—
представление
информации не уровнем потенциала, а перепадом
Перепад сигнала указывает на необходимость
синхронизации
35

36.

Сети и системы телекоммуникаций. Физический уровень
Импульсное кодирование
Манчестерский код (Ethernet 10Мб/с):
• 1 — Переход от низкого сигнала к высокому
• 0 — Переход от высокого сигнала к низкому
• В начале такта возможен служебный переход
0
1
1
0
0
0
1
0
1
1
t
Недостаток — частота в два раза выше, чем у
потенциальных кодов
36

37.

Сети и системы телекоммуникаций. Физический уровень
Потенциальный код NRZI
NRZI
(Non
Return
to
Zero
Inverted)
—
потенциальный код без возвращения к 0 с
инверсией
Используется два уровня потенциала:
• 1 — потенциал изменяется
• 0 — потенциал остается прежним
1
1
0
0
1
1
0
0
1
t
Не
чувствителен
последовательностям 1
к
длинным
37

38.

Сети и системы телекоммуникаций. Физический уровень
Избыточные коды
Избыточные коды основываются на добавлением
информации, необходимой для синхронизации
Исходная последовательность битов разбивается
на порции — символы
Каждый исходный символ заменяется на новый с
большим количеством битов
38

39.

Сети и системы телекоммуникаций. Физический уровень
Избыточный код 4B/5B
Исходный
символ
Результирующий
символ
Исходный
символ
Результирующий
символ
0000
11110
1000
10010
0001
01001
1001
10011
0010
10100
1010
10110
0011
10101
1011
10111
0100
01010
1100
11010
0101
01011
1101
11011
0110
01110
1110
11100
0111
01111
1111
11101
39

40.

Сети и системы телекоммуникаций. Физический уровень
Избыточный код 4B/5B
Не содержит длинных последовательностей 0
Передается по сети с помощью кодирования, не
чувствительного к длинным последовательностям
1 (NRZI)
Прост в реализации (таблица перекодировки)
40

41.

Сети и системы телекоммуникаций. Физический уровень
Избыточные коды
Что означает название 4B/5B
• 4 — количество бит в исходном слове
• 5 — количество бит в результирующем слове
• B — сигнал имеет два состояния (Binary)
Количество состояний сигнала
• T — три состояния (triple)
• Q — четыре состояния (quadra)
Другие примеры избыточных кодов
• 8B/10B (Gigabit Ethernet) — накладные расходы
25%
• 64B/66B (10GEthernet) — накладные расходы
3.125%
41

42.

Сети и системы телекоммуникаций. Физический уровень
Кодирование и модуляция
Кодирование трудно использовать в оптике и
беспроводной среде
• Высокие частоты плохо распространяются
• Необходим очень мощный (и дорогой) передатчик
Вместо кодирования используется модуляция
• Передается аналоговый синусоидальный сигнал
(carrier)
• Меняется амплитуда, фаза или частота
42

43.

Сети и системы телекоммуникаций. Физический уровень
Типы модуляции
Источник: В. Олифер, Н. Олифер. Компьютерные сети.
43

44.

Сети и системы телекоммуникаций. Физический уровень
Комбинированные типы модуляции
Можно одновременно
типов модуляции:
использовать
несколько
• Амплитуда и фаза
• Частота и амплитуда
Многоуровневые модуляции:
• Четырехуровневая
разных частоты
частотная
модуляция
Комбинация многоуровневых модуляций
44
—
4

45.

Сети и системы телекоммуникаций. Физический уровень
Квадратурная амплитудная модуляции
Комбинация амплитудной и
фазовой модуляции
8
значений
фаз
значения амплитуды
Используется
комбинаций из 32
помехоустойчивости
и
4
16
для
В. Олифер, Н. Олифер.
Компьютерные сети.
45

46.

Сети и системы телекоммуникаций. Физический уровень
Направления передачи
Симплексный режим
только в одну сторону
—
данные
передаются
Дуплексный режим — данные
одновременно в обе стороны
передаются
Полудуплексный режим — данные передаются в
обе стороны с разделением времени
46

47.

Сети и системы телекоммуникаций. Физический уровень
Итоги
Место физического уровня в модели OSI
Модель канала связи
Среды передачи данных
Передача сигналов
Кодирование и модуляция
47

48.

Сети и системы телекоммуникаций. Физический уровень
Вопросы?
48